JPH0410345A - 集束イオンビーム加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集束イオンビーム加工方法に係ル、％罠、光
集積回路における回折格子や、量子デバイスにおける量
子細線等の極微細な加工を行なう集束イオンビーム加工
方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、微細ＬＳＩや、光集積回路、量子細線など、微
細なピッチによってくり返えされるくシ返し溝パターン
をもった素子がある。このようなくシ返し溝パターンの
加工法には、干渉露光法、を子ビームリソグラフィ等が
ある。

ここでは、このような微細なピッチのくり返し溝パター
ンをもった素子として、半導体レーザの内部に回折格子
を設け、その回折格子による波長選択性によって単一モ
ードで発振するレーザとしてＤ　Ｆ　Ｂ　（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｏｋｂａｏｋ　：分布帰環
型）レーザ、Ｄ　ＲＢ　（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂ
ｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｏｔｏｒ：分布ブラッグ反射型）
レーザを考える。

第２図にＤＦＢレーザに用いる回折格子２１を示す、レ
ーザ光は回折格子２１から成る導波路層２２を方向２４
に導波する。

従来、このような回折格子５１を製作する方法として、
テクニカル　ダイジェスト、ファーストインターナシ冒
ナル　ミーティング　オン　アドバンスト　プロセシン
グ　アンド　キャラクタライゼイシ日ン　テクノロジイ
ズ、トウキヨウ。

１９８９（ジャパン　ソサエティ　オン　アプライド　
フィジックス　アンド　アメリカン　バキュウム　ソサ
エティ）第８１頁から第８４負（Ｔｅｏｈ−ｎｉｏａｌ
　Ｄｉｇｅｓｔ　、　Ｆｉｒｓｔ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｎＡｄｖａｎｏｅｄ　Ｐ
ｒｏｏｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｏｔｅｒｉｚ
ａｔｉｏｎ　Ｔｅ−ｃｈｎｏｌｏｇｉｅａ　、　Ｔｏｋ
ｙｏ　、　１９８９　（Ｊａｐａｎ　５ｏｏｉｅｔｙｏ
ｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｏｓ　ａｎｄ　Ａｍｅｒ
ｉｏａｎ　Ｖａｏｕｕｍ　５ｏａｉｅｔ）’）ｐｐ８１
−８４）において論じられている。これはＨｅ　−Ｃｄ
　　レーザを用い、レーザ光をハーフミラ−によシニ分
割し、レンズによシ球面波とし、三光束の球面波による
干渉光を用いた露光法で回折格子を製作するものである
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、レーザ光の干渉を用いて回折格子のパ
ターニングを行なっているため、回折格子のピッチが非
対称な線形分布（ピッチが線形に変化する）、対称二次
関数分布（ピッチが中心を対称に二次関数的に変化する
）、擬似−様分布等。

特定のパターンに限られておシ、任意のピッチからなる
回折格子の製作については困難であるという問題があっ
た。

また、回折格子のピッチもレーザ光の発振波長Ｈ，−Ｃ
ｄレーザ、波長５２５．のＶ２以下のものは製作不可能
であるという問題があった。

本発明の目的は、このような回折格子を含め、微細ＬＳ
Ｉパターン、量子細線パターンなど、微細なくシ返し溝
パターンを加工する際、任意のピッチのく少返し溝を、
しかも、微細なピッチで加工する手段を提供することに
ある。

〔ａ題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明はくシ返し溝加工を
液体金属イオン源、イオン源からイオンビームな引き出
し集束させるイオンビーム光字系、イオンビームを試料
上で走査するデフレクタとからなる集束イオンビーム加
工装置によシ、スパッタ加工で行う。

また、本発明はくシ返し溝のピッチが微細な場合、集束
イオンビームのビーム径の周辺部分の重なシによる加工
を防ぐため、加工すべき試料の上面に薄膜を形成し、＊
膜上からくル返し溝加工のためのスパッタ加工を行ない
、加工後、薄膜を除去したものである。

本発明は、さらＫ、試料上に形成する薄膜の厚さｈｌを
、くシ返し溝加工の加工すべき深さｈ２．薄膜のスパッ
タ率η１、試料のスパッタ率η２、隣接するイオンビー
ム電流密度の和の最小値と最大値のにした。

〔作用〕

集束イオンビーム加工装置において、イオンビーム光字
系によシイオンビームを、数十ｎｍ　Ｋ集束させ、試料
を直線上に走査し、スパッタ加工すること罠よって、＜
シ返し溝加工を行なう、このときデフレクタに印加する
電圧を変化することによって、イオンビームの試料上で
走査ピッチを変化させ、任意のピッチをもったくシ返し
溝加工を行なうことが可能である。

また、微細なピッチを加工する場合、ビーム径の周辺部
分が重な夛あうため、溝の壁部分が加工されてしまう、
そのため、あらかじめ、加工すべき試料に、薄膜を形成
しておき、薄膜上から、スパッタ加工し、加工後、薄膜
を除去する。こうすることによって、ビーム径の周辺部
分の重なシによる加工は薄膜上のみで、加工すべき試料
には到達しない。

また、加工すべき試料の上面に形成する薄膜の厚さは、
イオンビーム電流と加工時間とスパッタ率の積が加工法
δに比例ｆることがら求める。初めに、隣接する加工溝
の加工を行なうイオンビーム電流密度の最大値１４．最
小値１２とするとその比ｒはｒ＝１２／１１　　となる
、また、試料上に形成する薄膜の厚さり１、＜り返し溝
加工の加工すべき深ざｈ２、薄膜のスパッタ率ηい試料
のスパッタ率η２とすると、イオンビーム電ｔＩｔｔ、
＠度が最大値１゜のところでは、薄膜の加工時間はｈ、
／ｉ、ηい試料の加工時間はｈ２／ｉ、η２に比例する
。一方、イオンビーム電流密度が最小値１２のところで
は、薄膜の加工時間はｈ、／１２η、に比例し、試料の
加工時間は試料が加工されないことから零となる。電流
密度が最大値１．と最小値１２での総加工時間が等しい
である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図によシ説明する。

第１図に示すように、本実施例の集束イオンビーム加工
装置は、試料７、イオンビーム光学系、ｔ＠・コントロ
ーラとからなる。

イオンビーム光学系は、試料７を載せる試料ステージ８
、試料７の上方に位置する高輝度液体金属イオン源１．
液体金属イオン源１よシイオンと一ムを引出す引出し電
極２と、引き出されたイオンビーム６ｔ−集束する嬉−
レンズ電極３と第二レンズ電極５、試料７の加工領域を
走査するための偏向電・極４、試料７から発生する二次
電子を検出する二次電子ディテクタ９とからなる。

電源・コントローラは、引出し電極２に引出し電圧を印
加ｆる引出し電源１０．引出されたイオンビームを加速
する加速電源１７．＃ｃ−レンズ電極５、第二レンズ電
極５にレンズ電圧を印加する第一レンズ電源１１、第二
レンズ電源１５、偏向信号を増幅して、偏向電圧を偏向
電極４に印加する偏向電圧増幅器１２、加工条件を設定
するマイクロコンピュータ１５、加工条件にあった偏向
信号を発生する偏向信号発生器１４、二次電子ディテク
タ８からの二次電子信号を走査イオン顕微鏡像として表
示するモニタ１６とからなる。

次に動作について説明する。

イオンビームによって加工する試料は第５図に示すＤＦ
Ｂ半導体レーザの回折格子２１の部分である。第５図に
示す半導体レーザキ、基板５１に対し、下クラッド層３
２、活性層２３、導波路層２２と下層から順に液相エピ
タキシャル成長によ多形成し、第４図（ａ）に示すよう
な積層構造を形成した後、第４図（ｂ）に示すように、
集束イオンビーム加工装置によって、導波路層２２に回
折格子２１をスパッタ加工によ多形成する。その後、第
５図に示すように、上クラッド層５５以降を液相エピタ
キシャル成長によ多形成し、活性層２３として必要な幅
だけ残すように横方向をエツチングしてストライブ状と
し、エツチング後光を閉じ込めるため、レーザストライ
プ部分を、液相エピタキシャル成長によル埋込む。

次に、集束イオンビーム加工装置によって、導波路層２
２に回折格子２１をスパッタ加工によ多形成する方法に
ついて述べる。

試料７は、第４図（ａ）に示すように、基板５１に導波
路層２２まで積層したものを用いる。第１図において引
出し電源１０によシ引出し電極２に１０ＫＶ前後の引出
し電圧を印加して、液体金属イオン源１からイオンビー
ム６を引出す、ここでは液体金属イオン源としてＧ、を
用いる。引出されたイオンビーム６は加速電源１７によ
って、二十数ＫＶＫ加速され、第一レンズ電源１１、第
二レンズ電源１３によって、それぞれ、第一レンズ電極
３、第二レンズ電極５　Ｋ、　　１０ＫＶ前後の第一レ
ンズ電圧、第二レンズ電圧を印加し、試料７面上に集束
する。試料面上のビーム径は、６０．程度となる。

偏向電極４には試料７面上、イオンビーム６がＹ方向に
直線上に走査するような電圧（Ｘ方向偏向電圧ｖｘニ一
定、Ｙ方向偏向電圧ｖ、：鋸歯状波）を偏向電圧増幅器
１２によって印加する。これによシ回折格子−本が加工
される。加工時間は、回折格子の溝の深さと加工試料の
スパッタ率から設定ちれる。加工終了後、図に示嘔れて
いないかブラッキング電極に電圧を印加して、プランキ
ングアパチャによｈ、イオンビームｔｍ断する。そして
、あらかじめ設定されたピッチに相当する電圧（Δｖｘ
ニ一定）をＸ方向偏向電圧ｖｘに加算して（ｖｘ＋Δｖ
ｘ）、偏向電圧増幅器１２により印加し、再び、ブラン
キング電極（Ｉ−ＯＦＦにして加工を始める。

これをくシ返↑こと釦よシ、第４図（ｂ）Ｋ示ｆように
導波路／１ｉ２２に回折格子２１１に加工することがで
きる。

なお、加工する回折格子２１の位置、長さ、ピッチ、本
数％深さはマイクロコンピュータ１５にあらかじめ入力
しておく、マイクロコンピュータ１５では１位置、長き
、ピッチからＹ方向偏向電圧Ｖ、、Ｘ方向偏向電圧ｖｘ
１ピッチ電圧Δｖ、　１計算する。また、回折格子の溝
の深さと試料のスパッタ率から加工時間ｔ＋ｉｔ算し、
本数から加工終了時点を検出する。

また、任意のピッチの回折格子を加工するには、あらか
じめ、ピッチの値、あるいは、胸像式をマイクロコンピ
ュータ１５に入力しておき、それを用いて加工毎にピッ
チを変えていく。

ところで、このようにスパッタによる加工を行なう場合
、加工深８ｔｒｉ、イオンビームの電流密度分布に比例
すると考えられる。一般に、イオンビーム電流密度分布
り第５図（ａ）に示すようにカワス分布と仮定され最大
値の１／２となる半値全幅（ＦＷＨＭ）であるｄ。５０
のことをビーム径とよぶ、従って、第５図（ａ）に示す
ように、電流密度が最大値の１０チとなるビーム径ｄ、
は１．８２　ｄｏとなル、この部分でもおよそ１０％は
加工されると考えられる。この場合、ビーム径ｑｄｏ＝
６０ｎｍであるから、ｄ、：１１０９ｎでも中心の加工
探さ１１００ｎとすると１０ｎｒｕ加工嘔れる。

ところで、イオンビームｋｌＩ接して走査した場合、試
料の加工深さは、隣接したイオンビームの電流密度分布
の和に比例すると考えられる。その場合、隣接して走査
するイオンビームのピッチをｄ２とするとｄ２が小さく
なるにつれ、電流密度分布の重なシは大きくなシ加工量
も大きくなる。但しｓｇ５図（ｂ）に示すように、ｄ２
＝＝１３０ｎｍのとき、電流密度分布の和は、最大値を
１４、最小値を１２とすると１２　／ｉ＋　＝　［１０
８で、中心部を深−ｇ　１１００ｎ加工したとき、周辺
は深さ８ｎｒｎ加工され、　　ｄ２＝１２０ｎｍ位まで
は、周辺の加工深さは小さい。

次に、本発明の第二の実施例について第６図によシ説明
する。

本実施例における集束イオンビーム加工ｖｃＩｆは第一
の実施例と同一である。また、加工すべき試料７も第一
の実施例と同様、基板３１に対し、下クラッド層５２、
活性層２３、導波路層２２と下層から順に液相エピタキ
シャル成長によシ形成したもの（第５図（ａ）には上二
層を示す）であるが、集束イオンビーム加工装置によっ
て、導波路層２２に回折格子２１をスパッタ加工する際
、？！４５図（ｂ）に示ｆように、導波路層２２の上に
、−時保繰膜４１を形成する点が異なる。

ところで、一般に１第２図に示すように、ＤＦＢλ レーザの回折格子２１のピッチ△は△＝ｍ−ｎ （ここでλ：発振波長、ｎ：屈折率９ｍ：次数）で第一
次回折格子のピッチはＧ、　Ａ、系１３０ｎｍ。

ＩｎＰ系２４Ｄｎｍ　　となる、従って、第１図に示す
集束イオンビーム加工装置で、Ｇ、Ａ、系の第一次回折
格子のスパッタ加工を行なう場合、第一の実施例で述べ
たように％清の凸部分の加工を行なうことなく加工が可
能である。

しかし、イオンビームのビーム径、ビーム位置が何らか
の原因で変動すると、＠７図（ａ）に示すようにビーム
径が重なシあい、第７図（ｂ）　Ｋ示すように、回折格
子の凸部分が加工される。

また、回折格子のピッチが１＋Ｏｎｍよシ小さい加工が
必要な場合も、第７図（ｂ）に示すような加工が行なわ
れる。

ここで、ピッチがｓｏｎ、、の場合について述べる。

この場合、隣接するイオンビームの電流密度の和は、第
５図（ｃ）に示すように、ａ２＝ｓｏｎｍであるから、
ビーム径の重なシあいが大きくなシ最大値を１１、最小
値を１２とすると１２／ｉ、＝　１５８となシ、第７図
（ａ）に示すようなビームの重なシによって、第７図（
ｂ）　Ｋ示すように、回折格子の凸部分が加工される。

このような微細な加工を行なう場合、本実施例では、第
６図（ｂ）に示すように、導波路層２２の上に一時保農
膜４１を形成する。−時保護膜４１の厚さは、−時保護
膜４１の材料のイオンビームによるスパッタ率と導波路
層２２のスパッタ率と電流密度の比１２／ｉ、とから決
定される。

−時保護膜４１の厚さｈ、は、回折格子の加工深８　ｈ
２　ｍ−時保護膜４１のスパッタ率ηい導波路層２２の
スパッタ率η２％電流密度の比ｒ＝ｉ２／１１η１ｒ とすると、ｈ、≧π闇７ｈ２　として求めることができ
る。

これを用いて初めに、−時保護膜４１と導波路層２２の
材料のスパッタ率が同程度の場合、導波路層２２０回折
格子の深さを１１００ｎとすると。

電流密度の比ｉ２／１から、−時保護膜４１の厚さ１５
０ｎｍ　（但し最小１３８ｎｍ必要）が得られる。

また、−時保護膜４１の材料のスパッタ率が導波路層２
２の１／２と小さいものを採用すると。

時保Ｓ膜４１の厚さは７　ｓｎｍとなる。

−時保護膜４１形成後、第６図（ｂ）に示すように、溝
加工を行なう、加工の手順は第一の実施例と同一である
。但し、加工は一時保農膜４１、導波路層２２の二層と
なるため、加工時間を長くする必要がある。

イオンビームによる加工深さは、スパッタ率とイオンビ
ームによる電流密度に比例するので、第６図（０）に示
すようにイオンと一ムの中心では導波路層２２を深さ１
１００ｎ加工したとき、回折格子の１／２ピツチに相当
する部分では、−時保ｉｉ！膜４１を、はぼ、加工し、
導波路層２２０部分は加工していない状態となる。但し
、一般に、イオンビームによるスパッタ加工では、スパ
ッタ率は、イオンビームの入射角度による依存性があシ
、イオンビームの中心部分が鋭角に深く加工される傾向
がある。そのため、−時保護膜４１の厚さを上に述べた
場合より小さくできる。

加工後、第６図（ｄ）に示すような形状が得られる。

次に％第６図（ｅ）　Ｋ示すように、−時保護膜４１を
導波路層２２１Ｃ対して選択的に除去し、微細な回折格
子２１が得られる。

一時保睦膜４１は、例えば、高耐熱性ポリイミド樹脂を
用い、−時保＃Ｉ膜４１形成方法は、スピナによる塗布
、加工時の一時保譲膜４１の除去は、有機溶媒による溶
解、あるいは０２プラズマアツ７ングによって行なう、
また、金属でも、スパッタ率が小さく、導波路層２２に
対して１選択的にエツチング可能な材料であれば、スパ
ッタ蒸着等によって、−時保護膜４１を形成し、イオン
ビームによる加工後、ＲＩＥ（反応性イオンエツチング
）マタハ、ウェットエツチングによって、−時保龜膜４
１が除去可能である。

ところで、本実施例、及び、第一の実施例において、イ
オンビームによるスパッタ加工箇所では、入射イオンに
よって、結晶の格子欠陥が発生する恐れがある。この場
合、熱処理によるアニール、又は、エツチングによって
、損傷部分を除去する方法がある。エツチングによる損
傷部分の除去は、第一の実施例では、第８図（ａ）に示
すように、イオンビームによる加工前、導波路層２２を
あらかじめ厚くしておき、加工後、導波路層２２の全面
をエツチングによって除去部５１を除去する。また、第
二の実施例では、第８区（ｂ）に示すように、イオンビ
ームによる加工後、−時保＃！に腺４１を除去する前に
除去部５１をエツチングする、あるいは、−時保＠膜４
１と除去部５１（ｉ−同時にエツチングすることによっ
て除去する。

以上、回折格子について述べたが、本発明は、微細ＬＳ
Ｉパターン、皺子細線パターン、その他のくり返し溝パ
ターンの加工にも適用できることは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、集束イオンビーム加工装置によるスパ
ッタ加工によってくり返し溝加工を行なうため、任意の
ピッチの加工ができる。

また、くり返し溝加工のピッチが微細なときは。

加工すべき試料の上面に薄膜形成後、スパッタ加工を行
なうため、ビーム径の賞なシの影Ｉ＃を受けることなく
微細な加工を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である集束イオンビ−ム加工
装置の系統図、第２図は回折格子の斜視図、第５図は本
発明の実施例の加工対象の半導レーザの斜視図、第４図
は本発明の一実施例の加工方法の説明図、第５図は本発
明の一実施例、第二の実施例のイオンビーム電流密度を
示す説明図、第６図は本発明の第二の実施例の加工方法
を示す説明図、第７図は本発明の第二の実施例の一時保
饅膜のないときの加工状態を示す説明図、第８図は本発
明の第−及び第二の実施例の損傷部分をエツチングする
方法を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン源、前記イオン源からイオンビームを引き出
   し集束させるイオンビーム光学系、前記イオンビームを
   試料上で走査する偏向系とからなる集束イオンビーム加
   工装置で、偏向系の印加電圧の変化によって、前記イオ
   ンビームを前記試料上、任意のピッチで走査してスパッ
   タ加工することにより、任意のピッチのくり返し溝加工
   を行なうことを特徴とする集束イオンビーム加工方法。 ２、請求項１において、前記イオンビームを試料上、走
   査してスパッタ加工する際、前記試料面に、一時、保護
   膜を形成し、前記保護膜の形成後、任意の微細なピッチ
   で走査して、加工後、一時、前記保護膜を選択的に除去
   して、任意の微細なピッチのくり返し溝加工を行なう集
   束イオンビーム加工方法。 ３、請求項２において、前記試料面に形成する一時保護
   膜の厚さを、くり返し溝加工の加工深さｈ、前記一時保
   護膜のスパッタ率η＿１、試料のスパッタ率η＿２、隣
   接するイオンビームの電流密度の和の最小値と最大値の
   比にとしたとき、η＿１／η＿２（ｒ／１−ｒ）ｈ以上
   とする集束イオンビーム加工方法。